Измерение расхода методом переменного перепада давления

Nbsp; Методические указания к выполнению контрольной работы Учебным планом предусматривается одна домашняя контрольная работа. Контрольная работа является составной частью самостоятельной работы студента заочной формы обучения по усвоению программы дисциплины. Контрольное задание включает три задачи и два теоретических вопроса. При выполнении задач предусматривается определение параметров и характеристик приборов и измерительных преобразователей температуры, давления, расхода газа и жидкости, уровня жидкости, влажности газа и воздуха. Задачи, расчеты и теоретические вопросы должны выполняться с подробными пояснениями и ссылками на литературу. При решении задач необходимо использовать методические указания, (п.п. 6.1-6.5), Приложения, рекомендуемую литературу. Перед выполнением каждого задания необходимо изучить программный материал курса, относящийся к данной теме. При выполнении контрольной работы необходимо : - правильно оформить графики. Оси координат должны быть обозначены, на осях проставлены масштабные деления и их цифровые значения. Чертить графики необходимо на клетчатой или миллиметровой бумаге; - схемы чертить в соответствии с действующими стандартами на буквенные и графические обозначения элементов схем (схемы можно выполнить в графическом редакторе на компьютере); - список литературы должен быть приведен в конце контрольной работы. При выполнении работы должны быть приведены ссылки на использованную литературу; - все расчеты производятся в системе СИ; - справочные данные и коэффициенты указаны в Приложении методических указаний или в справочной литературе Применение ксерокопий в задании, требующем графического выполнения схем, не допускается. Контрольные задания разработаны на 30 вариантов. Номер варианта соответствует порядковому номеру студента по списку в журнале учебных занятий. Контрольные работы, выполненные небрежно, с нарушением предъявляемых требований и не соответствующие заданному варианту, не зачитываются. 1 Измерение температуры(задача № 1 для вариантов 1 – 30) 1Термометры расширения действуют на основании способности жидкости изменять свой объем, а твердых тел – размер при изменении температуры. Жидкостный термометр расширения состоит из резервуара, заполненного жидкостью (ртуть, спирт), капиллярной трубки и шкалы. Объем жидкости в зависимости от температуры определяется по формуле V = V0 [ 1+ αV (Т– Т0)] (6.1) где V и V0 – объемы жидкости при температурах Т и Т0, м3; αV - коэффициент объемного расширения, 1/K. Дилатометрический термометр расширения действует на основании использования теплового линейного расширения твердых тел (стержней, пластинок, спиралей). Линейные размеры стержня в зависимости от температуры определяются по формуле l = l0 [1 +α l (Т – Т0)] (6.2) где l и l0 – линейные размеры при температуре t и t0, м; α l - коэффициент линейного расширения, 1/К. Перемещение стержня с большим коэффициентом линейного расширения передается через рычажную передачу указательной стрелке. Относительное перемещение стрелки l, вызванное изменением температуры, находят по формуле l = k l0 α e Т, (6.3) где k – отношение плеч рычага; l0 – начальная длина стержня, м; Т - изменение температуры, К. 2 Манометрический термометр состоит из чувствительного элемента – термобаллона, погруженного в измерительную среду, капиллярной трубки и трубчато-пружинного манометра. Все элементы соединены герметично, вследствие чего внутренняя полость термометра представляет собой замкнутое пространство, заполненное газом или жидкостью. При нагревании термобаллона в системе создается давление, которое вызывает перемещение механизма указателя. В газовых термометрах термобаллон заполнен азотом, аргоном или гелием, и зависимость давления от температуры определяется по формуле: Р = Р0 [ 1+ αV (Т – Т0)] (6.4) где Р, Р0 – давление газа при температурах Т и Т0, Па; α V - коэффициент объемного расширения газа, 1/К. 3 Термоэлектрический преобразователь (термопара) работает на основании возникновения термо-ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников при наличии разности температур t и t0 соединений их концов. Одно из соединений термопары (холодный спай) находится в среде с постоянной температурой, а другое (горячий спай) – в измерительной среде. Зависимость Е = f (t,t0) , близка к линейной и определяется материалами проводников термоэлектрической цепи. Для расчетов используются градуировочные таблицы значений Е= f (t,t0) при t0=0оС, которые приведены в приложении А. Обычно измерения проводят в окружающей среде, температура которой отличается от 0оС, поэтому необходимо вводить поправку на температуру холодных спаев. Её можно рассчитать по формуле: tист = tи + k(tх – t0)], (6.5) где tист и tи – истинное и измеренное значение температуры, оС; tх и t0 - температура холодных спаев при измерении и градуировке (t0 = 0оС); k - поправочный коэффициент, значение которого приведено в приложении А. Термопара работает в комплекте со вторичными приборами: милливольтметром и потенциометром. Напряжение на выводах милливольтметра связано с термо-ЭДС соотношением Et U = (6.6) 1 + Rвн / RV где Rвн – сопротивление измерительной цепи (термопары, соединительных проводов, контактов и т.д.), Ом; RV - внутреннее сопротивление вольтметра, Ом. 4Термопреобразователи сопротивления служат для преобразования температуры в параметр электрической цепи (сопротивление). Они бывают металлические проволочные и полупроводниковые. Металлические проволочные термосопротивления характеризуются следующими зависимостями сопротивления от температуры: платиновые (ТСП) в диапазоне от 0о до 650оС Rt = Ro (1+ α 1t + α2t2), (6.7) где α 1 = 3,97 10-3 1/C температурные коэффициенты α 2 = -5,85 10-7 1/C2 сопротивления медные (ТСМ) в диапазоне от -50оС до 180оС Rt = Ro (1+ α t t) (6.8) где α t = 4,26 10-3 1/Cо. Сопротивление Ro градуируют при 0оС. В Приложении Б показаны основные данные термосопротивлений. Термосопротивления работают в комплекте со вторичными приборами: логометрами и измерительными мостами. Схема уравновешенного моста приведена на рисунке 1. В одно из плеч моста включено термосопротивление. Питание от источника напряжения GB подключено к одной из диагоналей моста, в другую включен измерительный прибор. Если мост уравновешен, то ток в измерительной диагонали равен нулю. Условие равновесия моста определяется по формуле R2Rt = R1R3 (6.9)

Рисунок 1 – Схема уравновешенного моста

Принцип измерения температуры состоит в том, что при изменении сопротивления R_t с помощью переменного резистора R₃ добиваются равновесия моста. Указатель шкалы связан с подвижным контактом переменного резистора R₃ (шкала отградуирована в ^оС).

2 Измерение давления(задача 2 для вариантов 1-14)

1Жидкостные манометры.

В жидкостных манометрах используется принцип сообщающихся сосудов. Действие их основано на уравновешивании измеряемого давления силой тяжести столба жидкости.

Для U-образного двухтрубного манометра давление определяется по разности уровней жидкости в трубах, в которые подаются атмосферное и абсолютное давления (или разность давлений)

Р_изб = rgh (6.10)

P = P₁ – P₂ = rqh, (6.11)

где r - плотность заполняющей трубки жидкости, кг/м³

q - ускорение силы тяжести, м/с².

Рисунок 2 – Жидкостный манометр

2Деформационные манометры действуют по принципу преобразования давления в перемещение упругого элемента. В зависимости от типа применяемых элементов различают мембранные, сильфонные, трубчато-пружинные манометры.

1 – мембрана; 2 - рычаг; 3 – стрелка; 4 – шкала

Рисунок 3 – Деформационный манометр (мембранный)

Максимальное перемещение центра мембраны d_max, мм под действием давления (рисунок 3) определяется по формуле:

PD⁴

d_max = 0,17 (6.12)

16 E_G h³

где Е_G – модуль упругости, Па;

D - диаметр мембраны, мм;

h - толщина мембраны, мм;

Р – давление, Па.

Максимальное допустимое механическое напряжение на мембране s_max ,Па определяется по формуле

PD²

s_max= 0,75 (6.13)

4h²

3Электрические преобразователи давления действуют по принципу преобразования давления в электрический сигнал. К таким преобразователям относятся пьезоэлектрические, тензометрические, емкостные.

В пьезоэлектрических преобразователях используется явление возникновения напряжения на гранях кристаллов при воздействии на них механического усилия или давления. Напряжение U, В на гранях пьезокристаллов определяется по формуле

10¹² К Р S

U = (6.14 )

C_вх/ n + C_o

где К- пьезоэлектрическая постоянная, Кл/н

( для кварца К = 2,2 10^-12 Кл/н);

S – площадь поверхности кристалла, м²

С_вх – емкость измерительной цепи, пФ;

С_о – емкость кристалла, пФ;

n - число пластинок кристалла;

Р - давление, Па.

Емкость С_о, пФ пьезокристалла определяется по формуле:

8,9 e S

С₀ = (6.15)

где e - относительная диэлектрическая проницаемость для кварца e= 4,5);

h - толщина кристалла, м;

S - площадь пластины, м².

В тензометрических преобразователях давления используется явление изменения сопротивления металлических проволочных и полупроводниковых резисторов при их деформации.

Обычно тензометрические датчики наклеивают на упругие элементы (например, мембраны) преобразователей давления и включают в мостовые измерительные схемы.

Относительное изменение сопротивления R линейно зависит от изменения длины l и определяется по формуле

R К_q l К_q F

= = (6.16)

R l S E_G

где К_q- коэффициент тензочувствительности (0,5 – 2,5);

F - сила, приложенная к площади упругого элемента , кН;

Е_G – модуль упругости, ГПа;

S – площадь упругого элемента, мм².

В емкостных преобразователях давления использовано явление изменения емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между его обкладками под действием давления.

Емкость плоского конденсатора С, Ф определяется по формуле

С = (6.17)

где e_а– абсолютная диэлектрическая постоянная, Ф/м;

S – площадь пластины, м²;

d – расстояние между пластинами, м.

3 Измерение расхода жидкости и газа (задача 2 для вариантов 15-30)

Расход вещества – это масса или объем вещества проходящего через известное сечение в единицу времени (м³/с, кг/с).

Измерение расхода методом переменного перепада давления

Расходоизмерительная система состоит из сужающего устройства (диафрагма, сопло), устанавливаемого в трубопроводе, импульсных трубок и дифманометров.

Действие расходомеров этого типа основано на измерении перепада давления потока на сужающем устройстве. Объемный расход газов и жидкостей Q_V , м³/с через сужающее устройство определяется по формуле:

Q_V = α_Q_*e_C*m_Q² (6.18)

где α_Q - коэффициент расхода (приложение В);

e_C - коэффициент сжимаемости (для жидкости e_C = 1);

r_V- плотность жидкости или газа, кг/м³;

Р - перепад давления, Па;

m_Q - d/D – характеристический коэффициент (0,05 m_Q 0,6);

d - диаметр сужающего устройства, м;

D - диаметр трубопровода, м.

При измерении расхода с помощью сужающих устройств требуются нормированные условия среды (температура и атмосферное давление).

Турбинные расходомеры

В турбинных расходомерах основным элементом служит турбинка (крыльчатка), вращающаяся в потоке жидкости. Вращение передается через специальный механизм к счетному устройству. Частота вращения турбинки w, рад/с определяется по формуле

K V_срK Q_V

w = = (6.19)

l S * l

где К – постоянный коэффициент для данного типа счетчика;

l - шаг лопастей турбинки, м;

S - площадь поперечного сечения трубы, м²;

Q_V – объемный расход, м³/с;

V_ср– средняя скорость потока, м/с.

3 Объемные расходомеры

В объемных расходомерах вращаются два подвижных элемента (шестерни), отмеривающие при своем движении определенные объемы жидкости (измерительный объем). Объемный расход определяется по формуле:

q n

Q_V = (6.20)

t₁ – t₂

где q - измерительный объем, м³;

n – количество измеренных объемов;

(t₁ – t₂) – промежуток времени, с.

Контроль и учет расхода жидкости проводится по результатам подсчета числа оборотов шестерен.

4 Индукционные (электромагнитные) расходомеры

Индукционные расходомеры служат для непосредственного преобразования расхода в электрический сигнал. Они предназначены для измерения расхода проводящих жидкостей. Действие индукционных расходомеров основано на возникновении ЭДС в трубопроводе между полюсами электромагнита, которая снимается с помощью электродов.

ЭДС определяется по формуле

B*D*Q

E = B* D* V_ср = (6.21)

где В - магнитная индукция между полюсами электромагнита, Тл;

D - внешний диаметр трубы, равный расстоянию между электродами, м;

S - площадь поперечного сечения трубы, м².

Для тонкостенных трубопроводов ЭДС определяется по формуле:

4 В Q

Е = (6.22)

4 Измерение уровня (Задача 3 для вариантов 1-16)

1Поплавковые уровнемеры действуют по принципу перемещения поплавка на поверхности жидкости. Это перемещение затем с помощью механической или электрической передачи поступает на прибор. Уравнение равновесия систем имеет вид:

r_V V + m_пр = m_п m_тр, (6.23)

где V - объем вытесняемой поплавком жидкости, м³;

r_V - плотность жидкости, кг/м³;

m_пр, m_п, m_тр, - соответственно масса противовеса, поплавка, неуравнове-шенной части троса.

2 Пьезометрические (гидростатические) уровнемеры основаны на принци-пе продувания воздуха через пневматическую трубку, опущенную в резервуар и измерения гидростатического давления Р, Па по формуле

Р =rqh, (6.24)

где r - плотность жидкости, кг/м³;

q - ускорение силы тяжести, м/с²;

h - высота столба жидкости, м.

3Принцип работы уровнемеров–дифманометров основан на измерении разности давлений жидкости в резервуаре и уравнительном сосуде. Дифманометры-уровнемеры следует градуировать при определенной плотности жидкости.

Разность давления в уровнемерах-дифманометрах равна гидростатическому давлению столба жидкости и определяется по формуле

Р =rqh (6.25)

4Электрические преобразователи уровня (емкостные) основаны на использовании емкостного метода, т.е. зависимости конденсаторного устройства от уровня заполняющей его жидкости. Устройство емкостного уровнемера представляет собой параллельно соединенные цилиндрические конденсаторы С₁ (образован частью электродов и жидкостью, уровень которой изменяется) и С₀ (образован частью электродов и воздухом). Емкость уровнемера определяется по формуле:

С = С₁ + С₀ = [le_а2 + (l₀ – l) e_а1] (6.26)

ln (D₁/D₂)

где l₀ и l - полная длина цилиндра (резервуара) и длина его, заполненная жидкостью, м;

e_а1 и e_а2 - абсолютные диэлектрические проницаемость воздуха и жидкости, Ф/м;

D₁ и D₂ - диаметры внешнего цилиндра (резервуара) и внутреннего

цилиндра (электрода), м.

С_х

Рисунок 4 – Емкостной уровнемер

5Волновые уровнемеры действуют по принципу отражения звуковых или электромагнитных волн от поверхности измеряемой жидкости. Обычно в волновых уровнемерах измеряется время запаздывания отраженного сигнала относительно излучаемого по формуле

t = (6.27)

где h – расстояние от излучателя до поверхности, м;

V – скорость распространения волны в среде над измеряемой

поверхностью, м/с;

Скорость распространения электромагнитной волны V, м/с зависит от свойств среды и определяется по формуле-

V = (6.28)

где e_a , m_a - абсолютная диэлектрическая (Ф/м) и магнитная (Гн/м) проницае-мость среды.

Например, скорость распространения электромагнитных волн в воздухе составляет 299 10⁶ м/с.

Скорость звуковой волны V, м/с в воздухе определяется по формуле

V = = e_cK_RT, (6.29)

где e_c - коэффициент сжимаемости газов, м²/Н;

K_R - универсальная газовая постоянная, равная 8134 Дж(кг К);

Р, Т - давление, Па и температура среды, К;

r - плотность среды, кг/м³.

5 Измерение влажности воздуха, газа (Задача №3 для вариантов 17-23)

Психрометрический метод

Он основан на использовании зависимости относительной влажности воздуха от разности температур сухого и влажного термометров. Для определения влажности используется психрометрическая таблица

(приложение Г). Приборы, основанные на психрометрическом методе, оснащены двумя одинаковыми термометрами (термосопротивлениями), один из которых постоянно влажный. При этом используются различные мостовые схемы, рисунок 5. Условие равновесия моста (рисунок 5) определяется по формуле

(R_M+R+R_X)R₄ = (R_C+R-R_X)R₂ (6.30)

где R_M – сопротивление влажного термометра (термосопротивление);

R_C – сопротивление сухого термометра (термосопротивление).

R₅ R_c

R_M

R₄

R₂

U_пит

Рисунок 5 – Мостовая схема психрометра

2 Конденсационный метод

Конденсационный метод основан на определении относительной влажности по известным температурам воздуха (газа) и точки росы. Эта точка

контролируется визуально или с помощью фотоэлементов. При расчетах можно пользоваться следующим выражением для относительной влажности:

а + Т – в (Т – Т_d)

j = * 100% , (6.31)

а + Т + в (Т – Т_d)

где Т и Т_d- температура воздуха и точки росы, К;

а и в - постоянные коэффициенты (в диапазоне температур воздуха 293 313К, а = 105, в = 3,9).

Одна из схем гигрометра приведена на рисунке 6.

3 2

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 421; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!